外差式激光干涉儀和應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)量的衍射光柵技術(shù)理論和工作原理冲簿。針對(duì)馬赫-澤德外差式激光干涉儀在絕對(duì)法振動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)中的應(yīng)用,簡要介紹了測(cè)量系統(tǒng)另外兩個(gè)重要組成部分(頻移變換和數(shù)字信號(hào)處理)的原理君板、算法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)氏仗。這種振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)與正弦直線和旋轉(zhuǎn)激振系統(tǒng)相配合,采用同一種正弦逼近的信號(hào)處理方法,可實(shí)現(xiàn)直線振動(dòng)量(位移围辙、速度我碟、加速度)和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)量(角位移、角速度姚建、角加速度)兩大類型矫俺、各種振動(dòng)傳感器幅相特性絕對(duì)法的精確校準(zhǔn)。

隨著計(jì)算機(jī)掸冤、激光測(cè)量和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展,近年來許多國家的計(jì)量科學(xué)研究院相繼建立了基于激光干涉法技術(shù)厘托、自動(dòng)化程度較高的國家振動(dòng)基標(biāo)準(zhǔn)。具國際領(lǐng)先地位的德國物理技術(shù)研究院(ptb),在正弦直線振動(dòng)量(位移稿湿、速度催烘、加速度)和正弦旋轉(zhuǎn)振動(dòng)量(角位移、角速度缎罢、角加速度)的激光絕對(duì)測(cè)量中,形成了一套完整的測(cè)量理論和測(cè)量技術(shù),研發(fā)了一系列高精度國家振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。由ptb主起草的國際標(biāo)準(zhǔn)iso 16063-11(1999)“激光干涉絕對(duì)法振動(dòng)校準(zhǔn)”給出新的第三種校準(zhǔn)方法———正弦逼近法(sine approximation method),在1 hz~10 khz寬頻帶范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了直線振動(dòng)傳感器加速度靈敏度幅值和相移絕對(duì)法校準(zhǔn)的重大突破考杉。對(duì)于高頻策精、納米級(jí)小振幅的振動(dòng)測(cè)量(例如(0·5μm,20 khz),

該國際標(biāo)準(zhǔn)推薦使用外差式激光干涉儀[1]。正在起草的國際標(biāo)準(zhǔn)iso 16063-15“旋轉(zhuǎn)式振動(dòng)傳感器激光干涉絕法校準(zhǔn)”所描述的校準(zhǔn)方法,采用的是外差式激光干涉儀與衍射光柵相結(jié)合的測(cè)量技術(shù)崇棠。振動(dòng)絕對(duì)法測(cè)量中的激光干涉儀通常采用零差式干涉儀(homodyne interferometer)與外差式干涉儀(heterodyne interferometer)兩類求旷。與零差式干涉儀相比,外差式干涉儀具有分辨率高、位移測(cè)量可達(dá)納米量級(jí)燎匪、線性度高赊手、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍寬购畴、測(cè)量誤差小等優(yōu)點(diǎn)猫乃。

它主要由激振系統(tǒng)、外差式激光干涉儀铣才、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)责祥、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。其中,外差式激光干涉儀采用馬赫-澤德干涉儀(mach-zehnder interferometer)旱樊。將馬赫-澤德干涉儀與正弦直線(水平或垂直)振動(dòng)臺(tái)或柱面為衍射光柵旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺(tái)的激振系統(tǒng)相匹配,就可以實(shí)現(xiàn)正弦直線或正弦旋轉(zhuǎn)振動(dòng)量的精確測(cè)量壳坞。

系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理部分主要包括兩路低通濾波和混頻移頻的功能。其作用是將調(diào)制后的載波信號(hào)從40 mhz降至正弦運(yùn)動(dòng)參量1 mhz以下的頻率范圍內(nèi),以便于數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理述茂。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)利用兩通道同步高速數(shù)據(jù)采集卡采集降頻后的多普勒信號(hào)和另一路參考信號(hào),通過軟件編程完成數(shù)字低通濾波搂瓣、正交信號(hào)生成雷鸟、反正切求解、相位展開氢拥、正弦擬合等數(shù)字解調(diào)和解算,以及信號(hào)分析及顯示等功能蚌铜。

此系統(tǒng)應(yīng)用于直線振動(dòng)測(cè)量時(shí),在0·1 hz~20khz范圍內(nèi),振幅測(cè)量可以達(dá)到1 nm,靈敏度幅值校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于1%,相位校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于1°;應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)量時(shí),在0·3 hz~1 khz范圍內(nèi),角位移幅值測(cè)量可以達(dá)到1μrad,靈敏度幅值校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0·5%,相位校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0·5°。以上指標(biāo)包含因子均為k=2兄一。

外差式激光干涉儀利用的是光學(xué)多普勒效應(yīng),即:當(dāng)光源和光電檢測(cè)器固定不動(dòng),光波在運(yùn)動(dòng)物體上反射或散射后,光電檢測(cè)器所接收到的光波發(fā)生頻率變化厘线。激光多普勒測(cè)振是基于振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分散射光含有其運(yùn)動(dòng)速度或位移、相位信息的理論出革。外差式激光干涉儀的光源為0·632 82μm波長的氦-氖激光器造壮。激光器發(fā)出的光束經(jīng)偏振分光鏡pbs1后被分離為測(cè)量和參考兩路光束,見圖2。參考光束經(jīng)過反射鏡m1,由布拉格盒bc(bragg cell)進(jìn)行聲光調(diào)制后,射向分光鏡bs2骂束。測(cè)量光束經(jīng)過偏振分光鏡pbs3耳璧、透鏡l和1/4波片p后,照射在運(yùn)動(dòng)物體表面并被反射回來,在分光鏡bs2與參考光束發(fā)生干涉,并由光電檢測(cè)器d完成干涉信號(hào)的接收和檢測(cè)。參考光路中的布拉格盒,通過晶振信號(hào)f0對(duì)參考光的光頻進(jìn)行頻移和調(diào)制展箱。

正弦直線激振系統(tǒng)測(cè)量光的反射面是振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面或標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)頂部平面,而正弦旋轉(zhuǎn)激振系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺(tái)采用旋轉(zhuǎn)柱面衍射光柵法旨枯。本節(jié)重點(diǎn)討論衍射光柵法理論和工作原理。

波長為λ的單色平面光垂直或傾斜照射到槽距為g的正弦反射光柵上,除了一部分光線被反射回來形成零級(jí)衍射光外,還將產(chǎn)生角度確定的各級(jí)衍射光,如圖3所示混驰。正弦光柵的槽距與激光波長接近,利用激光全息技術(shù)可以在1 mm的長度上刻出2 400條正弦槽紋,槽距g約為0·416 7μm攀隔。衍射光柵的激光干涉儀依靠光柵產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象來獲取干涉信號(hào)。各級(jí)衍射光的相位關(guān)系固定不變捣柿。如果入射光與平面光柵相互垂直,當(dāng)平面光柵發(fā)生直線移動(dòng)時(shí),零級(jí)衍射光的相位固定不變,而其它各級(jí)衍射光的相位角都將發(fā)生改變嚎区。各級(jí)衍射光只有以相位不變或180°反相變化的光為參照,才能檢測(cè)到它們的相位移。

旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的柱面為衍射光柵疚都。單頻氦-氖激光器發(fā)射出的激光被偏振分光鏡分為參考光束和測(cè)量光束后,測(cè)量光束以特定的角度照射到衍射光柵上,使得一級(jí)衍射光沿入射光的方向返回隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展,完全可以利用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)外差激光干涉儀輸出測(cè)量信號(hào)的低通濾波蝶桑、正交解算、信號(hào)解調(diào)哥笤。它具有指標(biāo)理想窄切、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。利用虛擬儀器技術(shù),通過圖形化編程軟件將數(shù)據(jù)采集通信及必要的儀器模塊等硬件和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來,能夠定制集成化和自動(dòng)化程度較高的外差式激光干涉測(cè)振系統(tǒng)协悼。馬赫-澤德外差激光干涉儀通常采用布拉格盒作為聲光調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)干涉儀激光調(diào)制頻譜向輸入布拉格盒的晶振頻率范圍的頻移炫胡。即:將多普勒信號(hào)(δf)從光頻上解調(diào)出來,轉(zhuǎn)載到一個(gè)比δf高的副載波上,最終輸出40 mhz或頻率更高的載波信號(hào)fc。如果直接對(duì)載波信號(hào)fc進(jìn)行采樣,根據(jù)奈奎斯特定律,必須選擇采樣速率極高的數(shù)據(jù)采集卡,這樣勢(shì)必增大設(shè)備成本和數(shù)據(jù)處理的工作量残昔。

由于包含調(diào)制信號(hào)的頻帶范圍與載波頻率相比往往很小,因此,在對(duì)多普勒信號(hào)進(jìn)行a/d采樣之前,可以將調(diào)制信號(hào)載頻從40 mhz降至較低的頻率范圍(1 mhz或500 khz左右),此時(shí),不會(huì)出現(xiàn)任何有用信息被丟失的情況,見圖1兵蟹。同時(shí),還可以利用驅(qū)動(dòng)布拉格盒的晶體振蕩器輸出的晶振信號(hào),與頻率合成器混頻,得到降頻后的參考信號(hào)。經(jīng)降頻處理后,將調(diào)制后的載波信號(hào)轉(zhuǎn)換到最適合于模數(shù)轉(zhuǎn)換(adc)的頻帶范圍,這樣就可以選擇采樣速率相對(duì)較低的兩通道同步數(shù)據(jù)采集卡,獲得更高的性價(jià)比眯穴。從而減少軟件數(shù)據(jù)處理量,提高軟件執(zhí)行效率[ 6]笆抱。

在大多數(shù)實(shí)際測(cè)量中,采樣頻率fs、外差信號(hào)頻率fh和振動(dòng)頻率f0應(yīng)滿足以下關(guān)系式:

對(duì)于動(dòng)圈式的高頻振動(dòng)臺(tái),其上限頻率一般為50 khz,若臺(tái)體的加速度為100 m/s2,那么產(chǎn)生的位移幅值約為1 nm。在50 khz的振動(dòng)頻率范圍內(nèi),所要求的最高采樣速率不會(huì)超過12 mhz,分辨率不應(yīng)低于8位幼驶。對(duì)于降頻后采集到的多普勒信號(hào),需要進(jìn)行圖4所示的軟件處理(圖1中數(shù)字信號(hào)處理部分的細(xì)化)艾杏。圖1中的參考信號(hào)經(jīng)過90°準(zhǔn)確數(shù)字移相后,能夠獲得所需的一對(duì)正交信號(hào)cosωhti和sinωhti,其中ωh為降頻后的多普勒信號(hào)的角頻率。輸入的測(cè)量信號(hào)uh(ti)與正交信號(hào)cosωhti和sinωhti分別相乘后,經(jīng)過數(shù)字低通濾波器去除調(diào)制信號(hào)頻帶范圍外的所有頻率成分盅藻。振動(dòng)幅相測(cè)量一般不要求進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,為了消除濾波給相位測(cè)量帶來誤差,可以采用對(duì)信號(hào)進(jìn)行正反兩次低通濾波的方法去除附加相位移购桑。以下簡要介紹離散時(shí)間參數(shù)數(shù)字低通濾波的方法。

本文介紹將正弦直線振動(dòng)絕對(duì)法校準(zhǔn)的正弦逼近理論,應(yīng)用于正弦旋轉(zhuǎn)振動(dòng)量的數(shù)據(jù)處理氏淑、幅相求解之中勃蜘。測(cè)量系統(tǒng)采用由外差式激光干涉儀、高性能兩通道同步數(shù)據(jù)采集卡及微機(jī)組成的虛擬儀器架構(gòu)假残＄怨保基于軟件解調(diào)和正弦逼近的新一代振動(dòng)幅相特性測(cè)量系統(tǒng),結(jié)合線性振動(dòng)臺(tái)及柱面為衍射光柵的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺(tái),能夠用一套測(cè)量系統(tǒng)、一種測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)正弦直線和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)量幅值和相位的精確測(cè)量,理論成熟辉懒、方法可行阳惹、性價(jià)比高、測(cè)量范圍寬眶俩。

將外差激光干涉儀與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合,應(yīng)用于振動(dòng)計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)琢播、沖擊傳感器幅相特性的準(zhǔn)確測(cè)量及工程測(cè)試,具有重要意義。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)荠补，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享茄颈，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議宁线。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布去柿、編輯整理上傳，對(duì)此類作品本站僅提供交流平臺(tái)十吐，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻夜勋、圖片曼舟、文字如涉及作品版權(quán)問題，請(qǐng)第一時(shí)間告知聚伤，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容嗤积，以保證您的權(quán)益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn坠天。